具有插入层的磁性结和使用该磁性结的磁存储器

摘要

本发明提供了用于提供在磁性器件中可使用的磁性结的方法和系统。磁性结包括基准层、非磁间隔层、和自由层，所述非磁间隔层在所述基准层和所述自由层之间。所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。所述磁性结的部分包括至少一个磁性子结构。所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层。所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面。所述至少一个非磁插入层的每个非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种组成。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的题为“MAGNETIC  JUNCTIONS HAVING INSERTION LAYERS AND MAGNETIC MEMORIES USING  THE MAGNETIC JUNCTIONS的美国临时专利申请第61／793，743号的优 先权，该申请被转让给本申请的受让者，并通过引用并入本文。

背景技术

磁存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于其在操作 过程中潜在的高读／写速度、出色的耐用性、非易失性和低功耗，已 经引起越来越多的关注。MRAM能够利用磁材料作为信息记录介质存 储信息。一类MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM 采用磁性结，该磁性结至少部分地由被驱动通过磁性结的电流写入。 被驱动通过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋转矩。 结果，具有响应于自旋转矩的磁矩的(多个)层可以被切换到期望的状 态。

例如，图1示出了常规磁隧道结(MTJ)10，它可以用在常规的 STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用(多个)常规籽 晶层12，并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧 道势垒层18、常规自由层20、和常规盖层22。还示出了顶接触24。

常规接触11和24用于沿电流垂直于平面(CPP)的方向，或沿图 1所示的z轴驱动电流。(多个)常规籽晶层12通常用于帮助生长具 有期望的晶体结构的后续层，如AFM层14。常规隧道势垒层18是非 磁性的，并且例如是薄的绝缘体，诸如MgO。

常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16 的磁矩17通常通过与AFM层14的交换偏置作用而沿特定的方向被固 定或被钉扎。虽然描绘成简单(单)层，但是常规被钉扎层16可以包 括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过薄的导电层(诸如 Ru)反铁磁地耦合的各磁层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中， 可以使用与Ru薄层交替的多个磁层。在另一实施例中，跨Ru层的耦 合可以是铁磁性的。另外，常规MTJ10的其它形式可包括额外的被 钉扎层(未示出)，该被钉扎层通过额外的非磁势垒或导电层(未示出) 与自由层20分开。

常规自由层20具有可改变的磁矩21。虽然描绘成简单层，但常 规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通 过薄的导电层(诸如Ru)反铁磁或铁磁地耦合的各磁层的合成层。虽 然示出为在平面内，但是常规自由层20的磁矩21可以具有垂直各向 异性。因此，被钉扎层16和自由层20的磁矩17和21可以分别取向 为垂直于层的平面。

为了切换常规自由层20的磁矩21，垂直于平面(沿z方向)驱动 电流。当足够的电流被从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层 20的磁矩21可以切换为平行于常规被钉扎层16的磁矩17。当足够 的电流被从底接触11驱动至顶接触24时，自由层的磁矩21可以切 换为反平行于被钉扎层16的磁矩。磁性配置的差异对应于不同的磁 电阻，从而对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和 逻辑“I”)。

常规MTJ10的自由层磁矩21在用于STT-RAM应用时被期望以 较低的电流进行切换。临界切换电流(I_c0)是最低电流，在该最低电 流下自由层磁矩21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimal  precession)变得不稳定。例如，I_c0可以被期望在几mA或更小的数 量级上。另外，短路电流脉冲被期望用于以更高的数据率对常规磁性 元件10编程。

虽然常规MTJ10可以用自旋转移写入，并用在STT-RAM中，但 存在缺点。例如，常规磁性结10具有平面内的磁矩17和21，为了 改善切换(switching)特性，可能期望磁矩17和21垂直于平面(即， 沿Z方向)。然而，对于这种取向，来自常规MTJ10的信号可能比期望 的更低。这样垂直的常规MTJ10通常还呈现高衰减(damping)。这样， 对切换性能产生了不利影响。因此，使用常规MTJ10的存储器的性 能仍然期望加以改进。

因此，所需要的是可以改善基于自旋转移矩的存储器的性能的 方法和系统。本文描述的方法和系统致力于这些需要。

发明内容

对用于提供了在磁性器件中可使用的磁性结的方法和系统进行 了描述。该磁性结包括基准层、非磁间隔层和自由层。所述非磁间隔 层在所述基准层和所述自由层之间。所述磁性结被配置为使得当写入 电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。 所述磁性结的部分包括至少一个磁性子结构(magnetic  substructure)。所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非 磁插入层。所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少 一个界面。所述至少一个非磁插入层的每个层包括W、I、Hf、Bi、 Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种。

附图说明

图1示出常规磁性结。

图2示出磁性子结构的示例实施例。

图3示出磁性子结构的示例实施例。

图4示出磁性子结构的另一个示例实施例。

图5示出磁性子结构的另一个示例实施例。

图6示出磁性子结构的另一个示例实施例。

图7示出磁性子结构的另一个示例实施例。

图8示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图9示出包括磁性子结构的磁性结的另一个示例实施例。

图10示出包括磁性子结构的磁性结的另一个示例实施例。

图11示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图12示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图13示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图14示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图15示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图16示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图17示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图18示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图19示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。

图20示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。

图21示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。

图22示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。

图23示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图24示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。

图25示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。

图26示出包括磁性子结构的磁存储器的示例实施例。

图27示出包括磁性子结构的磁存储器的示例实施例。

图28示出在(多个)存储单元的(多个)存储元件中采用磁性 结的存储器的示例实施例。

图29示出用于制造包括磁性子结构的磁性结的方法的示例实施 例。

图30示出用于制造包括磁性子结构的磁性结的方法的示例实施 例。

具体实施方式

本示例实施例涉及在诸如磁存储器之类的磁性器件中可使用的 磁性结和使用这种磁性结的器件。给出下文的描述使得本领域普通技 术人员能够实现和使用本发明，并且提供在专利申请的上下文和其必 要的文件中。对于示例实施例的各种变形以及在此描述的一般原理和 特征将容易地变明显。就具体实现中给出的具体方法和系统方面来主 要地描述示例实施例。然而，方法和系统将在其它的实现中有效地运 作。诸如“示例实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”之类 的短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。将参考具有特定 部件的系统和／或器件来描述实施例。然而，系统和／或器件可以包括 比图示的部件更多或更少的部件，可以对部件的布置和类型进行改变 而不背离本发明的范围。也将在具有特定步骤的具体方法的上下文中 描述示例实施例。然而，对于具有与示例实施例不一致的不同步骤和 ／或附加步骤以及不同顺序的步骤的其它方法，该方法和系统也有效 地运作。因此，本发明不旨在限于图示的实施例，而是应被给予与这 里描述的原理和特征一致的最宽范围。

对用于提供磁性结以及采用磁性结的磁存储器的方法和系统进 行了描述。对提供了在磁性器件中可使用的磁性结的示例实施例进行 了描述。磁性结包括基准层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在述 基准层和自由层之间。磁性结被配置为使得当写入电流流经磁性结时 自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。磁性结的部分包括至少一个 磁性子结构。磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层。 至少一个Fe层与至少一个非磁插入层共享至少一个界面。至少一个 非磁插入层的每个层包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In 中的至少一种。

在具有特定部件的特定磁性结和磁存储器的上下文中来描述示 例实施例。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明与具有与本发 明不抵触的其它和／或额外部件和／或其它特征的磁性结和磁存储器 的使用是相符的。也在对自旋转移现象、磁各向异性和其它物理现象 的当前理解的上下文中描述方法和系统。因此，本领域普通技术人员 将容易地理解，对方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移、 磁各向异性和其它物理现象的当前的理解而进行。然而，这里描述的 方法和系统并不取决于特定的物理解释。本领域普通技术人员也将容 易地理解，在与衬底具有特定关系的结构的上下文中描述方法和系 统。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统与其它的 结构是相符的。此外，在特定层是综合和／或简单的上下文中解释方 法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，所述层可以具 有另外的结构。此外，在具有特定层的磁性结和／或子结构的上下文 中描述方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，也可 以使用与所述方法和系统不抵触的具有额外和／或不同层的磁性结和 ／或子结构。此外，特定的部件被描述为磁性的、铁磁的和亚铁磁的。 这里所用时，术语磁性可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似结构。因此， 这里所用时，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚 铁磁体。还在单个磁性结和子结构的上下文中描述方法和系统。然而， 本发明普通技术人员将容易地理解，方法和系统与具有多个磁性结和 使用多个子结构的磁存储器的使用是相符的。此外，这里所用时，“平 面内”是实质上在磁性结的一个或多个层的平面内或平行于该平面。 相反，“垂直”对应于实质上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。

图2示出在磁性器件(例如，磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道 磁阻结构或一些其组合)中可使用的磁性子结构100的示例实施例。 其中使用磁性子结构100的磁性器件可以使用在各种应用中。例如， 磁性器件可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中，从而磁性子结 构100也可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中。为了清楚起见， 图2没有按比例示出。磁性子结构100包括Fe层102和非磁插入层 104。层102和层104共享界面103。因此，非磁插入层104邻近Fe 层102。在图2所示的实施例中，Fe层102可以首先沉积在下面的衬 底(未示出)上。虽然层102和104被示出为具有特定的取向，但是 该取向可以在其它的实施例中改变。

层102是铁磁性的，而层104是非磁性的。更具体地，磁性层 102是Fe，而非磁插入层104包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、 Os和In中的一种或多种。在所示的磁性子结构100中，Fe层102 具有高的垂直磁各向异性。换言之，Fe层102的垂直各向异性能可 以大于面外退磁能4πM_s。在该实施例中，Fe层102的磁矩垂直于平 面(沿z轴)。在其它实施例中，Fe层102的垂直磁各向异性可以 处于中间范围。在这样的实施例中，垂直磁各向异性能可以接近但小 于面外退磁能。例如，垂直各向异性能可以是面外退磁能的至少40％ 但小于百分之百。在一些这样的实施例中，垂直各向异性能可能不超 过面外退磁能的90％。认为Fe层102的高的垂直各向异性可能是由 于界面103处的电子杂交。因此，可以认为高垂直各向异性是由于界 面现象。然而，磁性结、磁存储器、以及本文所述的方法不依赖于特 定的物理现象。例如，在一些实施例中，包括但不限于层102和／或 104中的应力的其它特征可以有助于层102的磁各向异性。另外，Fe 层102因为包含Fe所以可以具有低的磁衰减。

Fe层102以及非磁插入层104的晶体结构可以是BCC。层102 和104还可以具有不超过5％的晶格参数的不匹配。这是由于为层102 选择了Fe，为非磁插入层104选择了W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、 Cd、Os和In中的一种或多种。在一些实施例中，可以期望非磁插入 层104包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的一种材料。 在一些这样的实施例中，插入层104可以包括W。

在一些实施例中，将铁磁层102配置为在室温下是稳定的。例 如，铁磁层102的磁各向异性能可以是k_bT的至少60倍。在一些实 施例中，铁磁层102的磁各向异性能在室温(约30摄氏度)下是k_bT 的至少80倍。然而，在其他的实施例中，可以通过将层102磁性地 与其他磁性层(图2中未示出)耦合来实现层102的热稳定性。

可以调整Fe层102和／或非磁插入层104的厚度以提供期望的 垂直磁各向异性、热稳定性、层102和104之间的耦合和／或其他特 征。在一些实施例中，Fe层102为至少1埃(Angstrom)厚并且不 超过14埃厚。在一些这样的实施例中，Fe层102的厚度为至少4埃 并不超过10埃。非磁插入层104可以为至少1埃并且不超过8埃。 在一些这样的实施例中，非磁插入层104至少为2埃并不超过6埃厚。 因此，虽然所示为完整膜，但是层102和／或104实际上可以是不连 续的。比如，非磁插入层104可以以较低厚度作为Fe层102上的岛 而存在。

磁性子结构100的性能可以通过非磁插入层104和Fe层102的 组合来调整。结果，使用磁性子结构100的磁性器件的性能也可以按 照期望进行配置。例如，使用磁性子结构100的磁性器件的TMR可以 由于自由层的改善的结晶和与隧道结的晶格匹配而提高。也可以设计 诸如自由层和／或被钉扎层之类的层的垂直磁各向异性和衰减。此外， 在一些实施例中，磁性子结构100可以用来提供具有磁矩的自由层， 该磁矩在偏离垂直于平面的角度是稳定的。因此，磁性器件的切换特 性可以得到增强。磁性子结构100也可用于在磁性装置中提供与(多 个)磁性层的自旋轨道耦合。因此，可以提供其他的用于切换的机制， 该机制能够配合或代替自旋转移矩。

图3示出在磁性器件(例如，磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道 磁阻结构或一些其组合)中可使用的磁性子结构100’的示例实施例。 其中使用磁性子结构100’的磁性器件可以使用在各种应用中。例如， 磁性器件可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中，因此磁性子结 构也可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中。为了清楚起见，图 3没有按比例示出。磁性子结构100’类似于磁性子结构100。因此， 类似的组件被相似地标记。因此磁性子结构100’包括第一Fe层102’ 和共享界面103’的非磁插入层104’。然而，层102’和104’与任意下 面的层的取向已发生了改变。因此，Fe层102’设置在非磁插入层104’ 上。磁性子结构100’的益处与磁性子结构100的益处类似。

图4示出在磁性器件(例如，磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道 磁阻结构或一些其组合)中可使用的磁性子结构100”的示例实施例。 其中使用磁性子结构100”的磁性器件可以使用在各种应用中。例如， 磁性器件可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中，因此磁性子结 构也可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中。为了清楚起见，图 4没有按比例示出。磁性子结构100”类似于磁性子结构100和100’。 因此，类似的组件被相似地标记。因此，磁性子结构100”包括第一 Fe层102”和非磁插入层104”和第二Fe层106。界面103”在层102” 和104”之间，而界面105在层104”和106之间。

Fe层106类似于Fe层102”。在一些实施例中，Fe层106具有 与Fe层102”相同的厚度和其他性能。另外，Fe层106可以具有与 Fe层102类似的高垂直各向异性。还期望非磁插入层104”足够薄使 得Fe层106与Fe层102”铁磁地耦合。因此，如上所讨论的，非磁 插入层是至少1埃厚并不超过8埃厚。在一些实施例中，非磁插入层 104”为至少2埃厚并不超过6埃厚。另外，由于高垂直磁各向异性 被认为至少是部分地基于界面103”和105的存在，所以磁性子结构 100”被认为具有比磁性子结构100更高的垂直磁各向异性。因此， 磁性子结构100”可以共享磁性子结构100和100’的益处。

图5示出在磁性器件(例如，磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道 磁阻结构或一些其组合)中可使用的磁性子结构100”’的示例实施例。 其中使用磁性子结构100”’的磁性器件可以使用在各种应用中。例如， 磁性器件可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中，因此磁性子结 构也可以使用在诸如STT-RAM之类的磁存储器中。为了清楚起见，图 5没有按比例示出。磁性子结构100”’类似于磁性子结构100、100’ 和100”。因此，类似的组件被相似地标记。因此磁性子结构100”’ 包括第一非磁插入层104”’、Fe层106’和和第二非磁插入层108。 界面105’在层104”’和106’之间，而界面107在层106’和108之间。

非磁插入层108类似于非磁插入层104”’。在一些实施例中，非 磁插入层108具有与非磁插入层104”’相同的厚度和其他性能。另外， 由于高垂直磁各向异性被认为至少是部分地基于界面105’和107的 存在，所以磁性子结构100”’被认为具有增强的垂直磁各向异性。因 此，磁性子结构100”’可以共享磁性子结构100、100’和100”的益处。

磁性子结构100、100’、100”和／或100”’可以合并。这种合并可 以具有额外的界面，从而具有增强的磁性能。可以使用磁性子结构 100、100’、100”和100”’中的特定一个的多次重复。可替代地，不同 磁性子结构100、100’、100”和100”’的(多次)重复可以进行混合和 匹配。通过采用磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的一个或多 个重复的组合，可以设计磁存储器中的磁层的性能。例如，通过组合 多个磁性子结构100、100’、100”和／或100”’可以提高垂直磁各向异 性。图6示出一个这样的磁结构110的示例实施例。该磁结构110 通过组合三个相同的磁性子结构100而形成。类似地，图7示出了一 种磁结构110’，该磁结构110’通过组合磁性子结构100和100”而形 成。磁结构110和／或110’以及其他类似磁结构的性能可以通过磁性 子结构100、100’、100”和／或100”’以及其他磁性和／或非磁层的各种 组合而调整。因此，通过使用磁性子结构100、100’、100”和／或100”’ 可以实现磁结构的期望特性。例如，可以实现所期望的磁各向异性、 磁矩的取向(平面内、弱平面内、垂直于平面或易锥面)。因此，可 以改善使用这种子结构的磁性结和使用这种磁性结的磁存储器。

例如，图8示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100'’ 和／或100”'的磁性结150的实施例。为了清楚起见，图8没有按比例 示出。磁性结150包括可选的籽晶层152、可选的钉扎层154、基准 层156、非磁间隔层158、自由层160和可选的盖层162。虽然层156、 158和160被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实施 例中改变。例如，基准层156可以更靠近磁性结150的顶部(距离未 示出的衬底最远)。可选的钉扎层154可以用于固定被钉扎层156 的磁化(未示出)。在一些实施例中，可选的钉扎层154可以是AFM 层或多层，其通过交换偏置作用来钉扎被钉扎层156的磁化(未示 出)。然而，在其他的实施例中，可以省略可选的钉扎层154或者可 以使用另一结构。磁性结150还配置为当写入电流流经磁性结150 时允许自由层160在稳定的磁状态之间进行切换。因此，自由层160 通过采用自旋转移矩是可切换的。

虽然描绘成简单层，但是基准层156可以包括多个层。例如， 基准层156可以是包括通过薄层(诸如Ru)反铁磁或铁磁地耦合的磁 层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与(多个)Ru或其他材料的薄 层交替的多个磁层。基准层156还可以是其他的多层。虽然磁化未在 图8中示出，但是基准层156可以具有超过面外退磁能的垂直各向异 性能。因此，基准层156可以具有取向为垂直于平面的磁矩。在其他 的实施例中，基准层156的磁矩是平面内的。被钉扎层156的磁化的 其他取向也是可能的。

间隔层158是非磁性的。在一些实施例中，间隔层158是绝缘 体，例如隧道势垒。在这种实施例中，间隔层158可以包括晶体MgO， 其可以增强磁性结的TMR。在其它的实施例中，间隔层可以是导体， 比如Cu。在替代实施例中，间隔层158可以具有另外的结构，例如， 在绝缘基质中包含导电通道的颗粒层。

自由层160包括磁性子结构100、100’、100”和／或100'”。在一 些实施例中，自由层160由磁性子结构100、100’、100”和／或100”’ 组成。另外，自由层160可以包括磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的组合。另外还可以提供诸如极化增强层之类的其他层。例 如，自由层160可以包括一个或多个CoFeB或Feb极化增强层。

由于磁性子结构100、100’、100””和／或100”’用于自由层160 中，所以磁性结150可以共享磁性子结构100、100’、100”和／或100”’ 的益处。尤其是，磁性结150可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具 有与用作非磁间隔层158的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、并具 有期望的磁各向异性和／或低的磁衰减。因此，磁性结150的性能可 以得到改善。

图9示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／或 100”’的磁性结150’的示例实施例。为了清楚起见，图9没有按比例 示出。磁性结150’包括可选的籽晶层152、可选的钉扎层154、基 准层156’、非磁间隔层158、自由层160’和可选的盖层162。虽然 层156’、158和160’被示出为具有特定的取向，但是该取向可以 在其它的实施例中改变。例如，基准层156’可以更靠近磁性结150’ 的顶部(距离未示出的衬底最远)。可选的钉扎层154可以用于固定 被钉扎层156’的磁化(未示出)。在一些实施例中，可选的钉扎层 154可以是AFM层或多层，其通过交换偏置作用来钉扎被钉扎层156’ 的磁化(未示出)。然而，在其他的实施例中，可以省略可选的钉扎 层154或者可以使用另一结构。磁性结150’还配置为当写入电流流 经磁性结150’时允许自由层160’在稳定的磁状态之间进行切换。 因此，自由层160’通过采用自旋转移矩是可切换的。

虽然描绘成简单层，但是自由层160’可以包括多个层。例如， 自由层160’可以是包括通过薄层(诸如Ru)反铁磁或铁磁地耦合的 磁层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与(多个)Ru或其他材料的 薄层交替的多个磁层。自由层160’还可以是其他的多层。间隔层158 是非磁性的并且类似于图8的间隔层158。

基准层156’包括磁性子结构100、100’、100”和／或100”’。在 一些实施例中，基准层156’由磁性子结构100、100’、100”和／或 100”’组成。另外，基准层156’可以包括磁性子结构100、100’、100” 和／或100”’的组合。另外还可以提供诸如极化增强层之类的其他层。 例如，基准层156’可以包括一个或多个CoFeB或Feb极化增强层。

由于磁性子结构100、100’、100”和／或100”’用于基准层156’ 中，所以磁性结150’可以共享磁性子结构100、100’、100”和／或 100”’的益处。尤其是，磁性结150’可以是热稳定的、具有期望的磁 矩、具有与用作非磁间隔层158的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、 具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。因此，磁性结150’ 的性能可以得到改善。

图10示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／或 100”’的磁性结150”的示例实施例。为了清楚起见，图10没有按比 例示出。磁性结150”包括可选的籽晶层152、可选的钉扎层154、 基准层156”、非磁间隔层158、自由层160”和可选的盖层162。虽 然层156”、158和160”被示出为具有特定的取向，但是该取向可 以在其它的实施例中改变。例如，基准层156”可以更靠近磁性结150” 的顶部(距离未示出的衬底最远)。可选的籽晶层152、可选的钉扎 层154和可选的盖层162类似于上述的可选的籽晶层152、可选的钉 扎层154和可选的盖层162。

基准层156”和自由层160”都包括磁性子结构100、100’、100” 和／或100”’。在一些实施例中，基准层156”和自由层160”由磁性 子结构100、100’、100”和／或100”’组成。另外，基准层156”和／或 自由层160”可以包括磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的组 合。另外还可以提供诸如极化增强层之类的其他层。例如，基准层 156”和／或自由层160”可以包括一个或多个CoFeB或Feb极化增强 层。然而，应注意基准层156”可以仍不同于自由层160”。因此， 基准层156”中使用的(多个)磁性子结构100、100’、100”和／或 100”’与其他层的特定组合可以不同于自由层160”中使用的(多个) 磁性子结构100、100’、100”和／或100”’与其他层的特定组合。

由于磁性子结构100、100’、100”和／或100”’用于基准层156” 和／或自由层160”中，所以磁性结150”可以共享磁性子结构100、 100’、100”和／或100”’的益处。尤其是，磁性结150”可以是热稳定 的、具有期望的磁矩、具有与用作非磁间隔层158的MgO势垒层之间 的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。 因此，磁性结150”的性能可以得到改善。

图11示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200的示例实施例。为了清楚起见，图11没有按比 例示出。虽然仅示出了特定次数，但是每个子结构可以被重复多次。 磁性结200包括可选的绝缘籽晶层202(诸如MgO)、自由层210、 可以是绝缘隔离层(诸如晶体MgO)的非磁间隔层220、基准层230 和可选的盖层240。可选的盖层240可以是MgO。这种盖层可以增加 基准层的垂直磁各向异性。然而，在其他的实施例中，可以使用不同 的盖层或不使用盖层。虽然层210、220和230被示出为具有特定的 取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。例如，基准层230 可以更靠近磁性结200的底部(最靠近未示出的衬底)。在一些实施 例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选的钉扎层(未示出)可以用 于固定基准层230的磁化(未示出)。另外，虽然描绘成简单层，但 是基准层230可以是SAF或其他多层。磁性结200还可以配置为当写 入电流流经磁性结200时允许自由层210在稳定的磁状态之间进行切 换。因此，自由层210通过采用自旋转移矩是可切换的。

自由层210包括磁性子结构100”’以及极化增强层212和214。 极化增强层212和／或214可以包括CoFeB和FeB中的一种或多种。 另外，期望非磁插入层104”’和108”’足够薄以允许铁磁层212和106”’ 之间以及铁磁层106”’和214之间的铁磁耦合。因此，磁性子结构100”’ 的层104”’、106”’、和108”’的材料和厚度与上述类似。

由于在自由层210中使用了磁性子结构100”’，所以磁性结200 可以共享磁性子结构100”’的益处。尤其是，磁性结200可以是热稳 定的、具有期望的磁矩、具有与用作非磁间隔层220的MgO势垒层之 间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰 减。因此，磁性结200的性能可以得到改善。另外，可以设计层212、 106”’和214的各向异性以获得自由层210的期望切换。例如，可以 期望具有低于层106”’和212的各向异性的极化增强层214。换言之， 可以实现层214、106”’和212之间的磁各向异性的期望梯度。因此可 以实现期望的切换特性。

图12示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200’的示例实施例。为了清楚起见，图12没有按 比例示出。虽然仅示出了特定次数，但是每个磁性子结构可以被重复 其他次数。磁性结200’包括可选的绝缘籽晶层202’(诸如MgO)、 自由层210’、可以是绝缘隔离层(诸如晶体MgO)的非磁间隔层 220’、和基准层230’。虽然未示出，但也可提供可选的盖层。可 选的盖层可以是MgO。这种盖层可以增加基准层的垂直磁各向异性。 虽然层210’、220’和230’被示出为具有特定的取向，但是该取向 可以在其它的实施例中改变。在一些实施例中，例如，磁矩是平面内 的情况，可选的钉扎层(未示出)可以用于固定基准层230’的磁化 (未示出)。另外，虽然描绘成简单层，但是基准层230’可以是SAF 或其他多层。磁性结200’还可以配置为当写入电流流经磁性结 200’时允许自由层210’在稳定的磁状态之间进行切换。因此，自 由层210’通过采用自旋转移矩是可切换的。

自由层210’包括多个磁性子结构100以及极化增强层212’和 214’。极化增强层212’和／或214’可以包括CoFeB和FeB中的一 种或多种。还示出了插入／势垒层216和218。这些层可以用于防止 材料(诸如B)扩散出极化增强层212’和214’并进入其余磁层。 在一些实施例中，例如，W或Hf用于这种层的情况，层216和218还 可用作作为子结构的一部分的非磁插入层。然而，可以使用其他的势 垒材料。可以用于层216和／或218的材料的示例包括但不限于W、 Cr、Ta、Bi、Nb、Mo、Zn、Zr、和Hf。另外，期望非磁插入层104 和层216和218的厚度足够薄以允许铁磁层212’、102、106”和214’ 之间的铁磁耦合。因此，层102、104和106”的材料和厚度与上述类 似。

磁性结200’共享磁性结200的益处。由于在自由层210’中使 用了磁性子结构100，所以磁性结200’可以共享磁性子结构100的 益处。尤其是，磁性结200’可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具 有与用作非磁间隔层220’的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、具 有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。因此，磁性结200’ 的性能可以得到改善。另外，可以调整层212’、102和214’的各 向异性以获得自由层210’的期望切换。例如，可能期望具有低于层 102和212’的各向异性的极化增强层214’。换言之，可以实现层 214’、102和212’之间的磁各向异性的期望梯度。所以可以实现期 望的切换特性。

图13示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200”的示例实施例。为了清楚起见，图13没有按 比例示出。虽然仅示出了特定次数，但是每个子结构可以被重复其他 次数。磁性结200”包括自由层210”、可以是绝缘隔离层(诸如晶 体MgO)的非磁间隔层220”、和基准层230”。虽然未示出，但也 可提供可选的盖层和／或籽晶层。可选的盖层和／或籽晶层可以是 MgO，其可以增加层210”和230”的垂直磁各向异性。虽然层210”、 220”和230”被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的 实施例中改变。在一些实施例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选 的钉扎层(未示出)可以用于固定基准层230”的磁化(未示出)。 此外，虽然描绘成简单层，但是自由层210”可以是SAF或其他多层。 自由层210”还可以包括磁性子结构100、100’、100”和／或100”’ 的一些组合。磁性结200”还可以配置为当写入电流流经磁性结200” 时允许自由层210”在稳定的磁状态之间进行切换。因此，自由层210” 通过采用自旋转移矩是可切换的。

基准层230”包括一个或多个磁性子结构100以及极化增强层 232。极化增强层232可以包括CoFeB和FeB中的一种或多种。另外， 期望非磁插入层104的厚度足够薄以允许铁磁层232和102之间的铁 磁耦合。因此，层102和／或104的材料和厚度与上述类似。

磁性结200”共享磁性结200和200’的益处。由于在基准层230” 中使用了磁性子结构100，所以磁性结200”可以共享磁性子结构100 的益处。尤其是，磁性结200”可以是热稳定的、具有期望的磁矩、 具有与用作非磁间隔层220”的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、 具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。因此，磁性结200” 的性能可以得到改善。

图14示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200”的示例实施例。为了清楚起见，图14没有按 比例示出。磁性结200”包括自由层210”、可以是绝缘隔离层(诸 如晶体MgO)的非磁间隔层220”、和基准层230”。虽然未示出， 但也可提供可选的盖层和／或籽晶层。可选的盖层和／或籽晶层可以是 MgO，其可以增加层210”和230”的垂直磁各向异性。虽然层210”、 220”和230”被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的 实施例中改变。在一些实施例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选 的钉扎层(未示出)可以用于固定基准层230”的磁化(未示出)。 此外，虽然描绘成简单层，但是自由层210”可以是SAF或其他多层。 自由层210”还可以包括(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的一些组合。磁性结200”还可以配置为当写入电流流经磁 性结200”时允许自由层210”在稳定的磁状态之间进行切换。因此， 自由层210”通过采用自旋转移矩是可切换的。

基准层230”包括一个或多个磁性子结构100以及极化增强层 232和非磁层236。虽然仅示出一次，但是各磁性子结构100可以被 重复多次。因此，磁性子结构100配置为用作形成SAF的磁层234 和238的一部分。极化增强层232可以包括CoFeB和FeB中的一种或 多种。另外，期望非磁插入层104的厚度足够薄以允许铁磁层232 和102之间的铁磁耦合。因此，层238在SAF中形成一个磁性粘结层。 因此，层102和／或104的材料和厚度与上述类似。

磁性结200”共享磁性结200和200’的益处。由于在基准层230” 中使用了磁性子结构100，所以磁性结200”可以共享磁性子结构100 的益处。尤其是，磁性结200”可以是热稳定的、具有期望的磁矩、 具有与用作非磁间隔层220”的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、 具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。因此，磁性结200” 的性能可以得到改善。

图15示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200”的示例实施例。为了清楚起见，图15没有按 比例示出。虽然仅示出了一次，但是磁性子结构可以被重复其他次数。 磁性结200”包括自由层210”’、可以是绝缘隔离层(诸如晶体MgO) 的非磁间隔层220”’、和基准层230”。虽然未示出，但也可提供可 选的盖层和／或籽晶层。可选的盖层和／或籽晶层可以是MgO，其可以 增加层210”’和230”的垂直磁各向异性。虽然层210”’、220”’和230” 被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。 在一些实施例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选的钉扎层(未示 出)可以用于固定基准层230”的磁化(未示出)。此外，虽然描绘 成简单层，但是自由层210”’可以是SAF或其他多层。自由层210”’ 还可以包括(多个)磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的一 些组合。磁性结200”还可以配置为当写入电流流经磁性结200”时 允许自由层210”’在稳定的磁状态之间进行切换。因此，自由层210”’ 通过采用自旋转移矩是可切换的。

基准层230”包括一个或多个磁性子结构100以及极化增强层 232’和非磁层236。虽然仅示出一次，但是各磁性子结构100可以 被重复多次。极化增强层232’可以包括CoFeB和FeB中的一种或多 种。期望非磁插入层104和236的厚度足够薄以允许铁磁层232’和 102之间的铁磁耦合。因此，层230”形成一个磁性粘结层。层102 和／或104的材料和厚度与上述类似。

磁性结200”共享磁性结200和200’的益处。由于在基准层230” 中使用了磁性子结构100，所以磁性结200”可以共享磁性子结构100 的益处。尤其是，磁性结200”可以是热稳定的、具有期望的磁矩、 具有与用作非磁间隔层220”’的MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、 具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。另外，该性能可以 被实现而无需在基准层230”中使用具有HCP晶体结构的材料。因此， 磁性结200”的性能可以得到改善。

图16示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200”’的示例实施例。为了清楚起见，图16没有按 比例示出。磁性结200”’包括自由层’210””、可以是绝缘隔离层(诸 如晶体MgO)的非磁间隔层220””、和基准层230”’。虽然未示出，但 也可提供可选的盖层和／或籽晶层。可选的盖层和／或籽晶层可以是 MgO，其可以增加层230”’和210””的垂直磁各向异性。虽然层210””、 220””和230”’被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实 施例中改变。在一些实施例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选的 钉扎层(未示出)可以用于固定基准层230”’的磁化(未示出)。此 外，虽然描绘成简单层，但是自由层210””可以是SAF或其他多层。 自由层210””还可以包括(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的一些组合。磁性结200”’还可以配置为当写入电流流经磁性 结200”’时允许自由层210””在稳定的磁状态之间进行切换。因此， 自由层210””通过采用自旋转移矩是可切换的。

基准层230”’包括一个或多个磁性子结构100以及极化增强层 232’和非磁层236’。虽然仅示出一次，但是各磁性子结构100可 以被重复多次。因此，磁性子结构100配置为用作形成SAF的磁层 234’和238’的一部分。极化增强层232’可以包括CoFeB和FeB 中的一种或多种。期望非磁插入层104的厚度足够薄以允许铁磁层 232’和102之间的铁磁耦合。因此，层238’在SAF中形成一个磁 性粘结层。因此，层102和／或104的材料和厚度与上述类似。另外， 非磁层236’可以是Cr或(多种)类似材料。此类材料可以包括Ru、 Rh、Re、V、Mo和Ir中的一种或多种。这种非磁层236’允许层238’ 和234’之间的反铁磁(比如，RKKY)耦合。此外，层236’具有BCC 晶体结构。这样，层236’可以用作Fe层102的籽晶层。非磁插入／ 势垒层239可以包括诸如W和／或Ta之类的材料。这种层可以用作势 垒层以便为极化增强层232’减少或阻止诸如B之类的材料的扩散。 另外，如果层232’包括W，则Fe层102和层239之间的界面可以进 一步增强磁性结200”’的磁各向异性。

磁性结200”’共享磁性结200、200’和200”的益处。由于在基 准层230”’中使用了磁性子结构100，所以磁性结200”’可以共享磁性 子结构100的益处。尤其是，磁性结200”’可以是热稳定的、具有期 望的磁矩、具有与用作非磁间隔层220””的MgO势垒层之间的改善的 晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁衰减。另外， 磁性结200”’包括SAF和势垒层以减少或阻止不期望的材料从极化增 强层232’扩散。因此，磁性结200”’的性能和可靠性可以得到改善。

图17示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200””的示例实施例。为了清楚起见，图17没有按 比例示出。磁性结200””包括自由层210””、可以是绝缘隔离层(诸 如晶体MgO)的非磁间隔层220””’、和基准层230””’。虽然未示出， 但也可提供可选的籽晶层。可选的籽晶层可以是MgO，其可以增加层 230””’和210””的垂直磁各向异性。虽然层210””、220””’和230””’被 示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。在 一些实施例中，例如，磁矩是平面内的情况，可选的钉扎层(未示出) 可以用于固定基准层230””’的磁化(未示出)。此外，虽然描绘成简 单层，但是基准层230””’可以是SAF或其他多层。基准层230””’还可 以包括(多个)磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的一些组 合。磁性结200””还可以配置为当写入电流流经磁性结200””时允许 自由层210””在稳定的磁状态之间进行切换。因此，自由层210””通 过采用自旋转移矩是可切换的。

自由层210””包括一个或多个磁性子结构100”以及极化增强层 212”和214”。虽然仅示出一次，但是各磁性子结构100”可以被重 复多次。因此，磁性子结构100”配置为用作自由层210””中的磁性 层的一部分。极化增强层212”和／或214”可以包括CoFeB和FeB 中的一种或多种。非磁插入层104”的厚度被期望为足够薄以允许铁 磁层212”和102”和214”和106之间的铁磁耦合。还示出了顶盖 层240”。在一些实施例中，为了增强极化增强层214”的磁各向异 性，盖层240”可以是晶体MgO。然而，在所示的实施例中，盖层240” 可以是导电的。可以使用诸如Ta、W、V之类的材料或其他导电盖层。 对于这样的实施例，自由层所期望的垂直磁各向异性可以由所期望的 (多个)磁性子结构100”提供。由晶体MgO盖层240”提供的垂直 磁各向异性可能过多。因此，可以使用导电盖层240”。从而可以避 免由MgO盖层所致的与磁性结200””相关的问题和其他类似问题。因 此可以改善磁性结200””的性能和可制造性。

磁性结200””共享磁性结200、200’、200”和200”’的益处。 由于在自由层210””中使用了磁性子结构100”，所以磁性结200”” 可以共享磁性子结构100”的益处。尤其是，磁性结200””可以是热 稳定的、具有期望的磁矩、具有与用作非磁间隔层220’””的MgO势垒 层之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有低的 磁衰减。另外，可以避免绝缘的叠层内(in-stack)籽晶层和／或盖 层的使用。因此，磁性结200””的性能、可制造性和可靠性可以得到 改善。

图18示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁性结200”’”的示例实施例。为了清楚起见，图18没有按 比例示出。磁性结200”’”包括自由层210”’”、可以是绝缘隔离层(诸 如晶体MgO)的非磁间隔层220”””、和基准层230”””。虽然未示出， 但也可提供可选的盖层。可选的盖层可以是MgO，其可以增加层230””” 的垂直磁各向异性。虽然层210”’”、220”””和230”””被示出为具有特 定的取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。在一些实施例中， 例如，磁矩是平面内的情况，可选的钉扎层(未示出)可以用于固定 基准层230”””的磁化(未示出)。此外，虽然描绘成简单层，但是基 准层230”””可以是SAF或其他多层。基准层230”’”还可以包括(多个) 磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的一些组合。磁性结200”’” 还可以配置为当写入电流流经磁性结200”’”时允许自由层210””’在稳 定的磁状态之间进行切换。因此，自由层210””’通过采用自旋转移矩 是可切换的。

自由层210””’包括一个或多个磁性子结构100”’以及极化增强层 212”和214”。虽然仅示出一次，但是各磁性子结构100”’可以被重复 多次。因此，磁性子结构100”’配置为用作自由层210”’”中的磁性层 部分。极化增强层212”和／或214”可以包括CoFeB和FeB中的一种或 多种。非磁插入层104”的厚度被期望为足够薄以允许铁磁层212” 和102”和214”和106之间的铁磁耦合。还示出了籽晶层240”’。在一 些实施例中，为了增强极化增强层214”的磁各向异性，籽晶层240”’ 可以是晶体MgO。然而，在所示的实施例中，籽晶层240”’可以是导 电的。可以使用诸如Ta、W、V之类的材料或其他导电盖层。对于这 样的实施例，自由层所期望的垂直磁各向异性可以由所期望的(多个) 磁性子结构100”’提供。由晶体MgO籽晶层240”’提供的垂直磁各向异 性可能过多。因此，可以使用导电籽晶层240”’。因此可以避免由MgO 籽晶层所致的与磁性结200””’相关的问题和其他类似问题。磁性结 200””’的性能和可制造性可以因此改善。

磁性结200””共享磁性结200、200’、200”、200”’和200”” 的益处。由于在自由层210”’”中使用了磁性子结构100”’，所以磁性 结200””’可以共享磁性子结构100”’的益处。尤其是，磁性结200”’” 可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有与用作非磁间隔层220””” 的MgO势垒层的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具 有低的磁衰减。另外，可以避免绝缘的叠层内籽晶层的使用。因此， 磁性结200”’”的性能、可制造性和可靠性可以得到改善。

图19至图22示出使用磁性子结构的一个或多个实施例的层的 示例实施例。图19示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、 100”和／或100”’的磁层250。为了清楚起见，图19没有按比例示出。 磁层250可以用作自由层、基准层或器件中的其他磁层。磁层250 包括一个或多个磁性子结构100、籽晶层252、盖层258和极化增强 层254和256。虽然仅示出一次，但是磁性子结构100可以被重复多 次。另外，如之前所讨论，不同的磁性子结构可以组合。因此，磁性 子结构100配置为用作磁层250的一部分。极化增强层254和／或256 可以包括CoFeB和FeB中的一种或多种。非磁插入层104的厚度被期 望为足够小以允许铁磁层256和102之间的铁磁耦合。在一些实施例 中，籽晶层252和／或盖层258可以是晶体MgO。例如，层252和／或 258可以是磁性结中的(多个)隧道势垒层。

采用了层250的磁性结可以共享磁性结200、200’、200”、200”’ 和200””以及磁性子结构100、100’、100”、100”’的益处。尤其是， 磁层250可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有与所用MgO势垒层 之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有低的磁 衰减。因此，采用了层250的磁性结的性能、可制造性和可靠性可以 得到改善。

图20示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁层250’的示例实施例。为了清楚起见，图20没有按比 例示出。磁层250’可以用作自由层、基准层或器件中的其他磁层。 磁层250’包括一个或多个磁性子结构100’、籽晶层252’、盖层 258’和极化增强层254’和256’。虽然仅示出一次，但是各磁性子 结构100’可以被重复多次。另外，如之前所讨论，不同的磁性子结 构可以组合。因此，磁性子结构100’配置为用作磁层250’的一部 分。极化增强层254’和／或256’可以包括CoFeB和FeB中的一种或 多种。期望非磁插入层104’的厚度足够小以允许铁磁层254’和 102’之间的铁磁耦合。在一些实施例中，籽晶层252’和／或盖层 258’可以是晶体MgO。例如，层252’和／或258’可以是磁性结中 的(多个)隧道势垒层。

采用了层250’的磁性结可以共享磁性结200、200’、200”、 200”’和200””以及磁性子结构100、100’、100”、100”’的益处。尤 其是，磁层250’可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有与所用MgO 势垒层之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有 低的磁衰减。因此，采用了层250’的磁性结的性能、可制造性和可 靠性可以得到改善。

图21示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁层250”的示例实施例。为了清楚起见，图21没有按比 例示出。磁层250”可以用作自由层、基准层或器件中的其他磁层。 磁层250”包括一个或多个磁性子结构100”、籽晶层252”、盖层 258”和极化增强层254”和256”。虽然仅示出一次，但是各磁性子 结构100”可以被重复多次。另外，如之前所讨论，不同的磁性子结 构可以组合。因此，磁性子结构100”配置为用作磁层250”的一部 分。极化增强层254”和／或256”可以包括CoFeB和FeB中的一种或 多种。期望非磁插入层104”的厚度足够小以允许铁磁层102”和106 之间的铁磁耦合。在一些实施例中，籽晶层252”和／或盖层258”可 以是晶体MgO。例如，层252”和／或258”可以是磁性结中的(多个) 隧道势垒层。

采用了层250”的磁性结可以共享磁性结200、200’、200”、 200”’和200””以及磁性子结构100、100’、100”、100”’的益处。尤 其是，磁层250”可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有与所用MgO 势垒层之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、和／或具有 低的磁衰减。因此，采用了层250”的磁性结的性能、可制造性和可 靠性可以得到改善。另外，与层250和250’相比Fe层102”和106 与非磁插入层104”之间出现了更多的界面。由于垂直磁各向异性被 认为与这种界面的存在相关，所以层250”可以认为具有更高的垂直 磁各向异性。

图22示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁层250”’的示例实施例。为了清楚起见，图22没有按比 例示出。磁层250”’可以用作自由层、基准层或器件中的其他磁层。 磁层250”’包括一个或多个磁性子结构100”、籽晶层252”’、盖层258”’ 和极化增强层254”’和256”’。因此，磁层250”’类似于磁层250”。此 外，磁层250”’包括两个额外的Fe层260和262。额外的Fe层260 和262可以用于增强层254”’和256”’的自旋极化。因此，使用自旋转 移矩的切换可以在低电流下发生。

采用了层250”’的磁性结可以共享磁性结200、200’、200”、 200”’、200””和200””’以及磁性子结构100、100’、100”、100”’的 益处。尤其是，磁层250”’可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有 与所用MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、 和／或具有低的磁衰减。因此，采用了层250”’的磁性结的性能、可制 造性和可靠性可以得到改善。

图23示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的磁层250””的示例实施例。为了清楚起见，图23没有按比 例示出。磁层250””可以用作自由层、基准层或器件中的其他磁层。 磁层250””包括一个或多个磁性子结构100”’、籽晶层252””、盖层 258””和极化增强层254””和256””。因此，磁层250””类似于磁层 250”。此外，磁层250””包括两个可选的扩散势垒层261和264。例 如，扩散势垒层可以包括但不限于诸如Ta、Hf和Zr之类的材料。由 于势垒层261和264的存在，可以防止不想要的元素(诸如B)从层 260和／或262扩散到磁性结的其余部分。

采用了层250””的磁性结可以共享磁性结200、200’、200”、 200”’、200””和200”’”以及磁性子结构100、100’、100”、100”’的 益处。尤其是，磁层250””可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有 与所用MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、具有期望的磁各向异性、 和／或具有低的磁衰减。此外，可以减少或消除不想要的材料(诸如 B)的扩散。因此，采用了层250””的磁性结的性能、可制造性和可 靠性可以得到改善。

例如，图24示出可以并入(多个)磁性子结构100、100’、100” 和／或100”’的双磁性结300的一个实施例。为了清楚起见，图24没 有按比例示出。磁性结300包括可选的籽晶层302(诸如MgO)、可 选的钉扎层304、第一基准层310、第一非磁间隔层320、自由层330、 第二非磁间隔层340、第二基准层350、可选的第二钉扎层306和可 选的盖层308。可选的钉扎层304和306可以分别用于固定基准层310 和350的磁化(未示出)。然而，在其他的实施例中，可以省略可选 的钉扎层304和306，或者使用其他的结构。磁性结300还可以配置 为当写入电流流经磁性结300时允许自由层330在稳定的磁状态之间 进行切换。因此，自由层330通过采用自旋转移矩是可切换的。

间隔层320和340是非磁的。在一些实施例中，间隔层320和 340是绝缘体，例如，隧道势垒。在这种实施例中，间隔层320和340 可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的TMR。在其它的实施例中， 间隔层可以是导体，比如Cu。在替代实施例中，间隔层320和340 可以具有另外的结构，例如，在绝缘基质中包含导电通道的颗粒层。

自由层330、第一基准层310和第二基准层350中的一个或多个 包括磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的一个或多个重复的 一些组合。在一些实施例中，自由层330、第一基准层310和／或第 二基准层350由磁性子结构100、100’、100”和／或100”’组成。在 其他的实施例中，还可以在自由层330、第一基准层310、和／或第二 基准层350中提供诸如极化增强层之类的其他层。例如，自由层330 可以包括一个或多个CoFeB或Feb极化增强层。

由于磁性子结构100、100’、100”和／或100”’用于自由层330、 第一基准层310、和／或第二基准层350中，所以磁性结300可以共 享磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的益处。尤其是，磁性 结300可以是热稳定的、具有期望的磁矩、具有与用作非磁间隔层的 MgO势垒层之间的改善的晶格匹配、并具有期望的磁各向异性和／或 低的磁衰减。另外，双磁性结具有优势，比如反双(antidual)状态(层 310和350的磁矩平行)下的增强的TMR和成双(dual)状态(层310 和350的磁矩反向平行)下的增强的自旋转移矩。因此，磁性结300 的性能可以得到改善。

图25示出包括磁性子结构100、100’、100”和／或100”’中的 一个或多个的层360的示例实施例。为了清楚起见，图25没有按比 例示出。层360可以用于可能期望更快的写入时间和更低的写入错误 率的磁性结。在所示的实施例中，层360包括磁性子结构100”’。然 而，在其他的实施例中，也可以使用其他的磁性子结构。层360可以 包括可选的(多个)籽晶层362和软铁磁层364和366。软磁层364 和366例如可以包括具有不超过30％的B的CoFeB。在所示的实施例 中，层364和366具有弱的平面内各向异性。因此，铁磁层364和 366的磁化可以在平面内。由于磁性子结构100”’中的各界面，Fe层 106’的磁化强烈垂直。在一些实施例中，层106’比层364和366 更厚。另外，磁性子结构100”’在室温下磁稳定。在一些实施例中， 磁性子结构100”’的磁各向异性能在室温下是kbT的至少60倍。在一 些这样的实施例中，磁性子结构100”’的磁各向异性能在室温下是kbT 的至少80倍。

图25还分别示出了层364、106’和366的磁化365、107和367。 在图25中可见，磁化365和367不是在平面内。这是因为层364／366 和106’之间的磁耦合。因此，层364和366的磁矩365和367具有 平面内的分量和垂直于平面的分量。特别是，磁矩365和367在偏离 z轴特定角度的锥形中可以是稳定的。层360的磁矩因此从z轴倾斜， 并因此从驻点倾斜。由于层360不处于驻点，因此自旋转移矩在对层 360的磁状态进行切换中可以更迅速和有效地起作用。因此，当用作 磁性结中的自由层时，层360可以具有改善的切换特性、更低的写入 错误率、更好的热稳定性和扩展性。

图26示出了结合磁性子结构100、100’、100”、和／或100”’ 的磁存储器380的一部分的示例实施例，该磁存储器380在切换中采 用自旋轨道作用。为了清楚起见，图26没有按比例示出。此外，磁 存储器380的诸如位线、字线、行选择器和列选择器之类的部分未示 出或未标示。磁存储器380包括磁存储单元382。磁存储单元382可 以是阵列中有序(ordered)的多个磁存储单元中的一个。每个磁存 储单元包括磁性结390，并且可以包括选择装置384。在一些实施例 中，多个磁性结390和／或多个选择装置384可以用于单个单元。还 示出了包括非磁插入层104’(诸如W)和Fe层102’的磁性子结构 100’。非磁插入层104’可以局限于一个单元382或者可以沿着线 路381横跨多个单元382。在其他的实施例中，非磁插入层104’可 以与线路381分离。例如，非磁插入层104’可以位于磁性结390和 线路381之间。在其他的实施例中，可以包括非磁插入层104’作为 存储单元382的一部分。在其他的实施例中，非磁插入层104’可以 在线路381的孔内。非磁插入层104’的顶和底可以分别在线路381 的顶面之上和底面之下延伸。其他配置也是可能的。另外，Fe层102’ 可以期望是磁性结390的自由层或基准层的部分或全部。出于说明目 的，在下面的示例中，假设Fe层102’是磁性结390的自由层的部 分或全部，然而，在其他的实施例中，Fe层102’是磁性结390的基 准层的部分或全部。

以下所述，可以使用自旋轨道作用效应来切换磁性结390内的 自由层的磁矩。在一些实施例中，可以使用各效应的组合来切换自由 层。例如，可以使用自旋转移矩作为主要效应来切换自由层的磁矩， 该主要效应可以由自旋轨道作用引起的转矩辅助。然而，在其他的实 施例中，主要的切换机制是由自旋轨道作用引起的转矩。在这种实施 例中，包括但不限于自旋转移矩的其他的效应可以有助于切换和／或 选择磁矩390。在另外的实施例中，自由层磁矩只使用自旋轨道作用 效应来进行切换。

非磁插入层104’是这样的层，其具有强的自旋轨道作用并且可 以用于切换自由层的磁矩。因此，对于图26中所示的实施例，非磁 插入层104’还可以认为是自旋轨道(SO)有源层104’。例如，SO有 源层104’可以包括上述讨论的材料。这些材料中，W可以是特别理 想的。SO有源层104’可以用于产生自旋轨道场H_SO。更具体地，在 平面内驱动电流通过SO有源层104’。这也可以通过驱动电流(比 如，J_SO)通过线路381来实现。通过SO有源层104’的电流具有关 联的可以导致自旋轨道场H_SO的自旋轨道作用。该自旋轨道场H_SO等同 于对Fe层102’的磁矩(未示出)的自旋轨道矩T_SO。对自由层的自 旋轨道矩由Tso=-γ[M×Hso]给出，其中M是磁矩的幅度。这相互关 联的力矩和场因此可交换地在本文中称为自旋轨道场和自旋轨道矩。 这反映了自旋轨道作用是自旋轨道场和自旋轨道矩的起源这一事实。 该术语还区分了该自旋轨道(SO)矩与更常规的自旋转移矩(STT)。 如果SO有源层104’具有高的自旋轨道作用，则自旋轨道矩因为非 磁插入层104’中在平面内驱动的电流而发生。例如，在所示实施例 中，自旋轨道矩因为电流密度J_SO而发生。相反，自旋转移矩是由于 流过磁性结390的垂直于平面的电流所致，其将自旋极化载流子注入 到磁性结中。在所示实施例中，自旋转移矩是由电流密度J_STT所致。 流过线路381并因此流过SO有源层104’的电流能够具有很大的电 流密度(高达或者在10⁸A／cm²的数量级)。该电流通常远远大于可以 流过MTJ单元的势垒的电流密度；后者一般受限于单元晶体管的大小 和MTJ击穿电压，并且通常不超过几个MA／cm²。因此，J_SO产生的自 旋轨道矩T_SO可能明显大于流过MTJ单元的电流产生的最大STT矩。 结果，自旋轨道矩T_SO可以比常规STT矩更快地使自由层的磁化倾斜。 自旋轨道矩T_SO可以迅速地使自由层的磁矩从其平行于易磁化轴(比 如Z轴或平面内的轴)的平衡状态偏离。在一些实施例中，诸如自旋 转移之类的其他机制可以用于完成切换。在其他的实施例中，能够使 用自旋轨道矩完成切换。所产生的自旋轨道场／自旋轨道矩可以因此 用于切换自由层的磁矩。注意虽然在图26中自旋轨道场示出为在平 面内，在其他的实施例中，自旋轨道场可以垂直于平面。在其他的实 施例中，自旋轨道场可以具有不同的方向。

在一些实施例中，SO作用可以包括两种效应的组合：自旋霍尔 效应和拉什巴(Rashba)效应。在许多SO有源层中，自旋轨道作用 包括自旋霍尔效应和拉什巴效应两者，但是其中之一占主导。还可以 采用其他的自旋轨道作用。自旋霍尔效应一般被认为是体效应。呈现 自旋霍尔效应的材料通常包括重金属或掺杂有重金属的材料。例如， 这种材料可以选自A和掺杂有B的M。A包括：Y、Zr、Nb、Mo、Tc、 Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta(包括高电阻的非晶β-Ta)、 W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At和／或他们的组 合；M包括Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、 Au、Hg、Pb、Si、Ga、6aMn或6aAs中的至少一种；以及B包括V、 Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、 Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、 Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、 Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一种。在一些实施例中， SO有源层104’可以包括掺杂有Ir的Cu和／或掺杂有Bi的Cu， 或者由掺杂有Ir的Cu和／或掺杂有Bi的Cu组成。掺杂一般在0.1 至10的原子百分比的范围内。在其他的实施例中，可以使用其他的 材料。

SO有源层104’中的自旋轨道场H_SO的其它根源可以与界面处的 自旋轨道作用相关。在这种情况下自旋轨道场的幅度通常与晶体场的 幅度相关，晶体场在界面处通常较高。由于相邻层的晶格参数的不匹 配、界面处重金属的存在和其他效应，自旋轨道作用在一些界面处可 以相当大。在垂直于界面平面的方向上与晶体场的梯度相关联的界面 处的强自旋轨道效应通常被称作拉什巴效应。然而，如在此所用，拉 什巴效应指界面处不管起因和方向的自旋轨道作用。注意在至少一些 实施例中，SO有源层104’的各界面应不同，以获得可观的拉什巴效 应。SO有源层104’可以包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、 Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、 Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、 Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的至少一种和／或其组 合。在其他的实施例中，SO有源层104’可以包括A／B的表面合金， 比如，原子A存在于宿主(host)材料B的(111)表面，使得顶部原 子层上是A和B的混合物。A包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、 Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Lu、Hf、 Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、 Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb的至少之一，B 包括Si、Zn、Cu、Ag、Au、W、Zn、Cr、Pt、Pd中的至少之一。在许 多实施例中，A包括二种或三种不同材料。在一些实施例中，沉积至 少0.1到不多于3个单分子层的A。在这样的实施例中，沉积约1／3 单分子层的A。在这样的实施例中，这可以是以下中的一个或多个： 替代式Bi／Ag、替代式Pb／Ag、替代式Sb／Ag、替代式Bi／Si、替代式 Ag／Pt、替代式Pb／Ge、替代式Bi／Cu和包括存在于Au、Ag、Cu或Si (111)表面上的层的双分子层。在其他的实施例中，SO有源层104’ 可以包括化合物(像InGaAs、HgCdTe)或双分子层LaAlO₃／SrTiO₃、 LaTiO₃／SrTiO₃。在其他的实施例中，可以使用其他材料。对于一些实 施例来说，拉什巴效应会导致自由层上的自旋轨道矩T_SO和相应的自 旋轨道场H_SO。

如以上所讨论，在一些实施例中，磁性子结构100’被期望具有 高垂直磁各向异性，该高垂直磁各向异性被认为是因层102’和 104’之间的界面所致。因此，在一些实施例中，图26的非磁插入层 ／SO有源层104’期望由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Ox和In 中的至少之一组成。这种实施例因此可以从高垂直磁各向异性和由自 旋轨道作用提供的力矩两者中获益，该两者都源自层102’和104’ 之间的界面。在一些其他的实施例中(未示出)，磁性结390可以包 括其他的非磁插入层，该非磁插入层包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、 Ag、Cd、Ox和In中的至少之一。在一些这种实施例中，非磁插入层 紧邻层102’，该非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Ox 和In中的至少之一组成。具有非磁插入层104’和磁性结390中的 其他非磁插入层两者的实施例也可以从高垂直磁各向异性和在自旋 轨道有源层381中流动的电流所提供的高力矩中获益。对于在非磁插 入层104’和磁性结390中的其他非磁插入层两者中具有相同元素的 示例实施例，它们中的一些具有好的生长匹配或好的沉积匹配的额外 益处。

因此，磁存储器380可以在自由层的磁矩的切换中使用由SO层 104’／非磁插入层104’产生的自旋轨道作用和自旋轨道场。在一些 实施例中，SO有源层104’可以依靠自旋霍尔效应和拉什巴效应两者 或之一以产生自旋轨道场H_SO。因此，如在此所用，诸如“自旋轨道 效应”、“自旋轨道场”和／或“自旋轨道作用”之类的术语可以包 括经由拉什巴效应、自旋霍尔效应、两种效应的一些组合、和／或一 些其它的自旋轨道作用或类似自旋轨道作用的效应的自旋轨道耦合。 自旋轨道场可以对数据存储／自由层的磁矩施加力矩。该自旋轨道矩 能够用于切换自由层的磁矩。在一些实施例中，自旋轨道场有助于切 换自由层的磁矩。其他的机制(比如自旋转移矩)是主要的切换机制。 在一些其它的实施例中，自旋轨道矩是针对自由层的磁矩的主要切换 机制。在一些这样的实施例中，自旋轨道矩可以由诸如自旋转移矩之 类的其他机制辅助。该辅助可以是在切换自由层的磁矩中，以及／或 者在选择待切换的磁性结中。

由于自旋轨道矩可以用于切换自由层的磁矩，所以存储器380 的性能可以得到改善。如以上所讨论，由SO有源层104’产生的自 旋轨道矩可以减少磁性结382的切换时间。自旋轨道矩通常具有高效 率P_SO并与电流J_SO成比例。由于该电流密度是平面内的而且不流过间 隔层，所以可以增加该自旋轨道电流而不会损害磁性结390。因此， 可以增加自旋轨道场和自旋轨道矩。从而可以缩短写入时间并改善写 入错误率。如果层102’是磁性结390的基准层的一部分或全部，则 自旋轨道矩可以用于将基准层从其平衡位置切换到其他位置，或者暂 时地使基准层从平衡位置偏离。这还可以用于提高写入速度和概率和 ／或改善读出信号并减少读出错误率。因此存储器100的性能可以得 到改善。

图27示出了结合磁性子结构100、100’、100”、和／或100”’ 的磁存储器380’的一部分的示例实施例，该磁存储器在切换中采用 自旋轨道作用。为了清楚起见，图27没有按比例示出。此外，磁存 储器380’的诸如位线、字线、行选择器和列选择器之类的部分未示 出或未标示。磁存储器380’类似于磁存储器380并且因此采用基于 SO作用的切换。磁存储器380’因此包括与线路381、存储单元382、 选择装置384和磁性结390类似的线路381’、存储单元382’、选择 装置384’和磁性结390’。然而，在所示实施例中，存储单元382’ 位于包括非磁插入层104／SO有源层104’的线路381’以下。存储器 380’以类似于存储器380的方式作用并且享有相似的益处。

图28示出一个这种存储器400的示例实施例。磁存储器400包 括读／写列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。注意可 以提供其他和／或不同的组件。存储器400的存储区域包括磁存储单 元410。每个磁存储单元包括至少一个磁性结412和至少一个选择装 置414。在一些实施例中，选择装置414是晶体管。磁性结412可以 是本文中所公开的采用磁性子结构100、100’、100”和／或100”’的磁 性结中的一个。虽然每个单元410示出了一个磁性结412，但是在其 他的实施例中，每个单元410可以提供其他数量的磁性结412。这样， 磁存储器400可以享有上述的益处。

图29示出用于制造磁性子结构的方法500的示例实施例。为了 简化起见，可以省略或合并一些步骤。在磁性子结构100的上下文中 描述方法500。然而，方法500可以用于其他的磁性子结构，比如子 结构100’、100”和／或100”’。另外，方法500可以并入到磁存储器 的制造中。因此方法500可以用于制造STT-RAM或其他磁存储器。

经由步骤502提供铁磁层102。步骤502可以包括以铁磁层102 的期望厚度来沉积期望的材料。经由步骤504提供非磁插入层104。 步骤504可以包括沉积期望的非磁材料。这种材料是W、I、Hf、Bi、 Zn、Mo、Ag、Cd、Ox和／或In。此外，在步骤504中可以沉积期望厚 度的材料。经由步骤506，步骤502和／或504可选地重复期望次数。 因此，可以提供具有期望数量的铁磁层和插入层的一个或多个磁性子 结构100、100’、100”和／或100”’。因此，形成了磁性子结构100、 100’、100”和／或100”’。从而可以实现磁性子结构的益处。

图30示出用于制造磁性子结构的方法510的示例实施例。为了 简化起见，可以省略或合并一些步骤。在磁性结150”的上下文中描 述方法510。然而，方法510可以用于其他的磁性结。另外，方法510 可以并入到磁存储器的制造中。因此方法510可以用于制造STT-RAM 或其他磁存储器。方法510可以在提供(多个)籽晶层152和可选的 钉扎层154之后开始。

经由步骤512提供被钉扎层156”。步骤512可以包括以被钉扎 层156”的期望厚度来沉积期望的材料。另外，步骤512可以包括提 供SAF。在一些实施例中，作为步骤512的一部分，可以提供磁性子 结构100、100’、100”和／或100”’。经由步骤514提供非磁层158。 步骤514可以包括沉积期望的非磁材料，其包括但不限于晶体MgO。 此外，在步骤514中可以沉积期望厚度的材料。

经由步骤516提供可选地包括磁性子结构100、100’、100”和／ 或100”’的自由层160”。如果将要形成双磁性结，则经由步骤518， 可以可选地提供额外的非磁间隔层。经由步骤520还可以可选地提供 额外的被钉扎层。在一些实施例中，步骤520可以包括在额外的基准 层中形成一个或多个磁性子结构100、100’、100”和／或100”’。经由 步骤522，制造可以结束。例如，可以提供盖层。在一些其他的实施 例中，可以提供可选的额外的钉扎层。在一些实施例中，其中磁性结 的各层沉积为叠层，然后被界定，步骤522可以包括界定磁性结、进 行退火处理、或以其他方式完成磁性结的制造。另外，如果磁性结并 入到诸如STT-RAM之类的存储器中，则步骤522可以包括提供接触件、 偏置结构和存储器的其他部分。从而，可以实现磁性结的益处。

已经对用于提供磁性子结构、磁性结、使用磁性结制造的存储器 的方法和系统进行了描述。已经根据所示示例实施例对该方法和系统 进行了描述，且本领域普通技术人员将容易地认识到可能存在对实施 例的变形，并且任何变形将落入所述方法和系统的精神和范围内。因 此，在不脱离所附的权利要求的精神和范围的情况下，可以由本领域 普通技术人员进行多种修改。